強(qiáng)制循環(huán)

在蒸發(fā)過程中，循環(huán)母液中的碳酸鈉、硫酸鈉等雜質(zhì)的不斷積累，它不僅會(huì)堵塞管道，降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，而且會(huì)在流程中循環(huán)增加能耗，所以除雜尤為重要。由于雜質(zhì)的溶解度隨堿液濃度的提高而降低，堿液達(dá)到較高濃度時(shí)，碳酸鈉、硫酸鈉等雜質(zhì)才能結(jié)晶析出。而且堿液調(diào)配時(shí)低濃度的原液與較高濃度的蒸發(fā)母液才能配制成合格的循環(huán)母液。因此蒸發(fā)母液中氫氧化鈉濃度的提高對于增加單位體積的配礦量，提高堿液循環(huán)效率以及除去雜質(zhì)有著重要的意義。但是，由于氫氧化鈉具有強(qiáng)腐蝕性，濃度過高會(huì)損壞熱交換表面，影響蒸發(fā)過程的順利進(jìn)行，同時(shí)，把原液蒸發(fā)到過高濃度也不利于節(jié)約加熱蒸汽。由于強(qiáng)制循環(huán)燕發(fā)器出料中的苛性堿濃度高達(dá)280g/L-290g/L，受濃度檢測儀表量程的限制，因此，需要通過控制出料密度快速跟蹤規(guī)定的設(shè)定值，從而間接地控制堿液濃度達(dá)到工藝指標(biāo)范圍內(nèi)是強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)。

另一方面，在工藝上通常要求強(qiáng)制循環(huán)燕發(fā)系統(tǒng)的液位保持在低于加熱管出口而高于循環(huán)管入口處。因?yàn)榇藭r(shí)堿液出口流速最大，動(dòng)能最高，循環(huán)泵提供的能量最大；電流最高，從而保證蒸發(fā)效率達(dá)到最佳。液位過高，液柱靜壓增加，不僅影響蒸發(fā)效率，而且易造成跑堿事故。液位過低，溶液沸騰猛烈，又易造成霧珠夾帶嚴(yán)重.所以蒸發(fā)器液面的正確位置和相對穩(wěn)定是蒸發(fā)操作的另一個(gè)控制目標(biāo)。

所研究的強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)是針對核船壓水堆（PWR）一回路系統(tǒng)的。根據(jù)現(xiàn)有的理論和實(shí)驗(yàn)研究，在海洋條件引起的船舶諸種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如傾斜、起伏和搖擺）中，起伏對一回路的各種熱工水力特性的影響是最嚴(yán)重的。尤其當(dāng)起伏加速度較大的時(shí)候，反應(yīng)堆中流動(dòng)不穩(wěn)定、空泡波動(dòng)等現(xiàn)象更加明顯。

從理論上分析了核動(dòng)力艦船僅作豎直運(yùn)動(dòng)時(shí)冷卻劑的受力情況，簡化了核船作豎直運(yùn)動(dòng)的自然循環(huán)能力的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析了核船起伏時(shí)，一回路冷卻劑流量變化和反應(yīng)堆輸出功率變化的情況，并用熱工準(zhǔn)則評價(jià)了安全性。

1.設(shè)計(jì)工況下，利用主泵強(qiáng)制循環(huán)時(shí)，起伏對冷卻劑流量的影響很小，基本不影響反應(yīng)堆的輸出功率。三條熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則全都能夠滿足。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)壓頭與主泵提供的揚(yáng)程比起來太小了，強(qiáng)制循環(huán)冷卻劑流動(dòng)主要靠主泵驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)壓頭的變化微不足道。由于起伏是海洋條件諸情況中對核動(dòng)力裝置熱工水力特性影響最大的，因此可以推斷出任何海洋條

件對一回路強(qiáng)制循環(huán)沒有明顯影響，核動(dòng)力裝置能夠在海洋條件下靠強(qiáng)制循環(huán)安全運(yùn)行。

2.船起伏時(shí)，自然循環(huán)流量波動(dòng)和反應(yīng)堆輸出功率的波動(dòng)比強(qiáng)制循環(huán)時(shí)要大得多。起伏加速度越大，流量波動(dòng)幅度越大。這是因?yàn)樽匀谎h(huán)流動(dòng)是靠驅(qū)動(dòng)壓頭驅(qū)動(dòng)的，起伏加速度使得驅(qū)動(dòng)壓頭發(fā)生了較大的變化。船起伏運(yùn)動(dòng)上升（下降）到最高（最低）點(diǎn)之后短時(shí)間內(nèi)，也就是船有最大的向下（向上）加速度之后短時(shí)間內(nèi)，自然循環(huán)流量達(dá)最?。ㄗ畲螅┲?。

3.自然循環(huán)情況下，船按簡諧規(guī)律起伏時(shí)，冷卻劑流量、反應(yīng)堆輸出功率也明顯地按簡諧規(guī)律變化，具有與起伏相同的周期。起伏運(yùn)動(dòng)不停止，冷卻劑流量波動(dòng)就不停止?；究梢酝茢啵浩鸱鼤r(shí)，流量波動(dòng)跟隨起伏規(guī)律，具有與起伏規(guī)律相似的波動(dòng)規(guī)律。

4.船按簡諧規(guī)律起伏時(shí)，起伏加速度和起伏周期對自然循環(huán)能力的影響。在本計(jì)算范圍內(nèi)，相同周期時(shí)，最大起伏加速度越大，流量波動(dòng)幅度越大。有相同的最大起伏加速度時(shí)，流量波動(dòng)幅值基本相同，與周期關(guān)系不太大。但若周期很短，流量波動(dòng)就很小了。由此可知，高頻振動(dòng)對自然循環(huán)無影響，這與日本的高頻振蕩實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

5.自然循環(huán)在船起伏情況下熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的滿足情況。包殼表面最高溫度、芯塊中心最高溫度和最小燒毀比都滿足熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。堆芯熱通道的出口含汽率隨著起伏運(yùn)動(dòng)時(shí)流量波動(dòng)而波動(dòng)，在流量最小時(shí)，有最大值，此值比穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)時(shí)的出口含汽率高。即起伏運(yùn)動(dòng)會(huì)使出口含汽率增加。在起伏劇烈的情況下，出口含汽率有可能會(huì)超過安全準(zhǔn)則值，這時(shí)，應(yīng)降低自然循環(huán)工況的運(yùn)行參數(shù)，在更低的自然循環(huán)能力水平上工作 。

強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)可以處理粘度大、易結(jié)垢或易結(jié)晶的溶液，由于其傳熱效果好，蒸發(fā)效率高，是氧化鋁生產(chǎn)工藝中蒸發(fā)工序的重要組成部分，強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)的主要任務(wù)是蒸發(fā)掉溶液中多余的水分，使蒸發(fā)出的產(chǎn)品密度達(dá)到工業(yè)規(guī)定的要求，并且保持液位不出現(xiàn)大的波動(dòng)，從而起到穩(wěn)定生產(chǎn)的作用。

強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)由分離室、加熱室、循環(huán)泵、出料閥和進(jìn)汽閥組成。進(jìn)料液通過循環(huán)泵打入加熱室和加熱蒸汽進(jìn)行熱交換，加熱后的溶液通過加熱管出口進(jìn)入分離室。分離室出口為蒸發(fā)掉的二次燕汽，被蒸發(fā)的溶液部分經(jīng)過出料管排出，部分經(jīng)過循環(huán)管和進(jìn)料液匯合進(jìn)行再次蒸發(fā) 。

為了選擇合理的控制方案，使系統(tǒng)具有更好的控制性能需要建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。首先，對系統(tǒng)作如下假設(shè)和簡化：

1.系統(tǒng)是絕熱的，沒有熱量損失；

2.溶液的比熱容在工作點(diǎn)附近近似為常數(shù)，且溶液的溫度分布均勻；

3.蒸汽的汽化潛熱在工作點(diǎn)附近近似為常數(shù)。

任何一個(gè)控制輸入量改變將會(huì)對所有輸出變量產(chǎn)生影響，因此強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)是一個(gè)多變量強(qiáng)藕合的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。一般采用兩個(gè)簡單的單回路，常規(guī)PID控制策略來控制強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)。但是，由于在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)受到干擾因素較多，如進(jìn)料液的流量、密度和溫度的波動(dòng)，進(jìn)料溶液的比熱容也會(huì)隨著進(jìn)料液的性質(zhì)不同而改變，加熱蒸汽的壓力，以及在蒸發(fā)過程中析出的鹽類在加熱管內(nèi)壁形成結(jié)疤，使蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)急劇下降、環(huán)境的變化等。在這些擾動(dòng)作用下，僅僅采用常規(guī)PID控制往往難以在跟蹤性、魯棒性及抗干擾性方面達(dá)到滿意的控制效果，從而導(dǎo)致強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)無法維持在最佳操作狀態(tài)。另外，由于系統(tǒng)具有多變量、強(qiáng)藕合、非線性等復(fù)雜特性，所以強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)的非線性解藕控制策略的研究是必要的 。

強(qiáng)制循環(huán)熱水鍋爐屬管架式結(jié)構(gòu)。它具有鍋爐體積小、鋼耗量小、成本低、水容量小、升火快及熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于我國工業(yè)的發(fā)展。但強(qiáng)制循環(huán)熱水鍋爐需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵性的問題：（1）鍋爐水循環(huán)流程的合理性；（2）鍋爐水流速的選擇；（3）鍋爐的停電保護(hù)問題。這三個(gè)關(guān)鍵問題影響著強(qiáng)制循環(huán)熱水鍋爐的運(yùn)行安全性。

分類

強(qiáng)制循環(huán)蒸汽發(fā)生器分為管外強(qiáng)制循環(huán)和管內(nèi)強(qiáng)制循環(huán)兩大類，管外強(qiáng)制循環(huán)是指二回路工質(zhì)在傳熱管外流動(dòng)，一回路冷卻劑在傳熱管內(nèi)流動(dòng)；管內(nèi)強(qiáng)制循環(huán)是指二回路工質(zhì)在傳熱管內(nèi)流動(dòng)，一回路冷卻劑在傳熱管外流動(dòng)。管外強(qiáng)制循環(huán)蒸汽發(fā)生器在壓水堆核電站中有采用，管內(nèi)強(qiáng)制循環(huán)蒸汽發(fā)生器多用于艦船壓水堆核動(dòng)力裝置，例如德國的“奧托·漢”號核動(dòng)力研究船、蘇聯(lián)的“列林”號和“北極”號破冰船。

特點(diǎn)

強(qiáng)制循環(huán)蒸汽發(fā)生器具有以下特點(diǎn)：

（1）能夠產(chǎn)生過熱度約為20~30℃的過熱蒸汽，而且汽壓穩(wěn)定，不需要除濕，對汽輪機(jī)的要求也有所降低；使用過熱蒸汽還增大了汽輪機(jī)內(nèi)的絕熱焓降，減小了汽輪機(jī)的汽耗率，提高了核動(dòng)力裝置的熱效率。

（2）沒有復(fù)雜的汽水分離器和直徑粗大的汽包，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，與相同容量的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器相比，尺寸小、質(zhì)量輕，容易在空間有限的艙室中安裝和布置。

（3）二次側(cè)蓄熱量和儲(chǔ)水量都很少，受熱面的加熱和冷卻都很容易達(dá)到均勻，能夠快速啟動(dòng)和停止，具有良好的機(jī)動(dòng)性。

發(fā)展趨勢

強(qiáng)制循環(huán)蒸汽發(fā)生器的發(fā)展趨勢主要集中在以下方面：

（1）采用體積更小、傳熱效率更高的設(shè)計(jì)；

（2）直接產(chǎn)生過熱蒸汽，取消汽水分離器；

（3）不斷提高一回路自然循環(huán)能力，目前國外一體化壓水堆自然循環(huán)能力已達(dá)30%~60%FP 。